孤立发电站Simulink仿真设计

1、6/25/2021 电力系统自动化期末作业 电力系统自动化期末作业电力系统自动化期末作业 题题 目目 ： 孤立发电站孤立发电站 SimulinkSimulink 仿真设计仿真设计 学学 号号 ： P101813449P101813449 姓姓 名名 ： 汤小桥汤小桥 专业班级专业班级 ： 1010 级电气工程及其自动化级电气工程及其自动化 1 1 班班 学学 院院 ： 电气工程学院电气工程学院 指导教师指导教师 ： 杨晶显老师杨晶显老师 电力系统自动化期末作业 1 孤立发电站孤立发电站 SimulinkSimulink 仿真设计仿真设计 摘摘 要要：随着电力系统自动化的高度发展，现代电网已发展

2、成为在 电力市场机制的基础上多控制区域的互联系统，自动发电控制(AGC) 作为互联电网实现功率和频率控制的主要手段，其控制效果直接影 响着电网品质。因此，跨大区互联电网通过什么样的标准对其控制 质量进行评价，电网 AGC 采用什么样的控制方法是近年来调度自动 化关注的一个热点问题。 电力系统频率和有功功率自动控制统称为自动发电控制(AGC)。 AGC 是通过控制发电机有功出力来跟踪电力系统负荷变化，从而维 持频率等于额定值，同时满足互联电力系统间按计划要求交换功率 的一种控制技术。基本目标包括使全系统的发电出力和负荷功率相 匹配；将电力系统的频率偏差调节到零，保持系统频率为额定值； 及控制区域

3、间联络线的交换功率与计划值相等，实现各区域内有功 功率的平衡。 本论文紧紧围绕这一具有重要现实意义的课题展开了研究和讨 论，介绍了带励磁系统的自动发电控制电网 AGC 技术的实现与发展， 带励磁系统的同步发电机 LFC 和 AVR 控制方案，发电机的调速系统 模型的基本组成及其设计和控制策略。最后通过一个孤立发电站的 组合仿真框图及其技术参数，搭建混合 SIMULINK 仿真框图进行仿真， 当励磁系统参数变化时求出其频率偏差和机端电压响应，通过仿真 结果来分析频率控制和电压控制的关系。 电力系统自动化期末作业 2 关键词关键词：励磁系统，自动发电控制，电力系统，频率，电压 AbstractAb

4、stract along with the height of the development of power system automation, has developed into a modern power grid in power market mechanism on the basis of many control areas interconnected system, automatic generation control (AGC) for interconnected power grid to achieve power and the principal m

5、eans of frequency control, the control effect directly affects the quality of power grid. Therefore, across regional interconnection through what kind of standard to evaluate the quality of the control, the grid AGC adopt what kind of control method is a hot spot of dispatching automation in recent

6、years. Automatic control of power system frequency and active power are collectively referred to as automatic generation control (AGC). AGC is active by controlling the generator output to track power system load changes, so as to maintain frequency is equal to the rated value, at the same time meet

7、 the scheduled requirements among interconnected power system of power control technology. Basic goals 电力系统自动化期末作业 3 include to make full system power output and load power match; Will power system frequency deviation to adjust to zero, maintaining system frequency for rating; Link exchange between

8、power and control area and plan values are equal, and realize the regional balance of active power. Has important practical significance this paper closely around the subject, studies and discussions are introduced with excitation system of power grid AGC automatic generation control technology impl

9、ementation and development, with LFC and excitation system of synchronous generator AVR control scheme of generator speed control system model of the basic composition and the design and control strategy. Finally through a combination of isolated power station simulation block diagram and its techni

10、cal parameters, structures, hybrid SIMULINK block diagram for simulation, when the excitation system parameters change response, find out the voltage of the frequency deviation and the machine through the simulation results for the analysis of frequency control and voltage control of the relationshi

11、p. KeywordsExcitation system，automatic power control， 电力系统自动化期末作业 4 power system，the frequency and voltage 目目 录录 摘摘 要：要： .1 一、概述一、概述 .5 1.1 课题背景.6 1.2 带励磁系统的同步发电机 LFC 和 AVR 控制示意图.7 二、发动机调速系统二、发动机调速系统 .8 2.1 发电机模型.8 2.2 负荷模型.9 2.3 原动机模型.10 2.4 调速器模型.11 三、三、 发电机励磁系统发电机励磁系统 .11 3.1 励磁调节器的工作原理.11 3.2 励磁

12、方式.12 3.3 励磁机的作用.13 四、励磁系统的自动发电控制（四、励磁系统的自动发电控制（AGC）.13 五、仿真结果分析五、仿真结果分析 .19 六、总六、总 结结 .22 参考文献参考文献 .24 电力系统自动化期末作业 5 一、概述一、概述 自动发电控制(Automatic Generation Control)简称 AGC，作为 现代电网控制的一项基本功能，它是通过控制发电机有功出力来跟 踪电力系统的负荷变化，从而维持频率等于额定值，同时满足互联 电力系统间按计划要求交换功率的一种控制技术。它的投入将提高 电网频率质量，提高经济效益和管理水平。自动发电控制技术在 “当今世界已是普

13、遍应用的成熟技术，是一项综合技术” 。自动发电 控制在我国的研究和开发虽然起步较早，但真正在电网运行中发挥 效能，还是在最近几年。原来我国几个主要电力系统都曾试验过自 动频率调整(AFC)，而直到改革开放以后，自动发电控制却还未能全 部正常运行。近些年来，随着我国经济的高速发展，对安全、可靠、 优质和经济运行，各大区电网都对频率的调整非常重视，并实行了 严格的考核。为实现这一目标，全国各大电网均不同程度地采用了 AGC 技术。随着计算机技术、自动控制理论、网络通讯等技术的发 展，电厂、电网自动化运行水平的不断提高，自动发电控制逐步得 到广泛的应用。现代的 AGC 是一个闭环反馈控制系统，主要由

14、两大 部分构成，如图 1-1 所示： （1）负荷分配器：根据测得的发电机实际出力、频率偏差和其 它有关信号，按一定的调节准则分配各机组应承担的机组有功出力 设定值。该部分为传统的电网调度功能实现。 电力系统自动化期末作业 6 （2）机组控制器：根据负荷分配器设定的有功出力，使机组在 额定频率下的实发功率与设定有功出力相一致。电厂具备 AGC 功能 时该部分由机组协调控制系统 CCS 自动实现。 图 1-1 AGC 组成示意图 1.11.1 课题背景课题背景 孤立电站是为适应边远地区人民生活用电和某些特殊生产用电 而建立的独立系统 在准同期并网的时候，发电机的电压和频率与电网的电压和频 率有一定

15、的偏差，频率偏差 （frequency deviation ）是指系统频 率的实际值和标称值之差。电力系统正常频率偏差允许值为 0.2Hz。当系统容量较小时，偏差值可以放宽到0.5Hz。在有功 功率电源不足或缺乏备用容量的电力系统中，当有功负荷增加时， 会造成频率下降，此时电气设备处在低频率下运行。低频率运行除 电力系统自动化期末作业 7 了会对发电厂的安全运行造成较大的危害外，还会使所有的用户的 电动机转速都相应降低。例如：若电流频率由 50HZ 降到 48HZ，电 动机的转速将降低 4%，致使冶金、化工、机械、纺织造纸等工业的 产量和质量都会受到影响。假如并网前发电机电压略高于电网电压、

16、发电机频率也略高于电网频率（一般而言），并入电网后发电机向 电网输出电流，此电流是无功电流，对发电机有去磁作用，使发电 机电压下降，直到电压偏差保持在一定的范围内；同样由于发电机 频率略高于电网，发电机就向电网输出一个有功电流，此电流在轴 上产生一个反力矩，使发电机的转速减慢，频率下降，直到电压偏 差保持在一定的范围内。但这个过程需要一定的时间，且波动性大， 且对电网的稳定运行会产生一定的影响，如果发电装置带上励磁系 统会改善电力系统的性能。 1.21.2 带励磁系统的同步发电机带励磁系统的同步发电机 LFCLFC 和和 AVRAVR 控制示意图控制示意图 在互联网系统中，每一台发电机都安装了

17、负荷频率控制（LFC） 和自动电压调整（AVR） ，基本的发电控制环如图 1-2 所示。负荷频 率控制器设置了一个频率的设定值，他检测频率和发电机有功功率 的微小变化，调整汽轮机阀门开度，保持发电机的频率在一个允许 的范围内。自动电压调整控制器设置了一个电压的设定值，它检测 极端电压和无功功率的微小变化，调整发电机励磁电流，保持发电 机的极端电压在一个允许的范围内。励磁系统时间常数比原动机时 间常数要小很多，因而它的暂态衰减要快得多，且不会影响 LFC 的 电力系统自动化期末作业 8 动态特性，因此 LFC 控制环和 AVR 控制环可以看成是互补影响的两 个控制环，可以将其分开来分析。 Val

18、ve control mechanism Load frequency control (LFC) Frequency sensor Voltage sensor Automatic voltage regulator(AVR) Excitation system G Pc PG QG ， Pv Ptie Steam Turbine Gen.field 图1-2 同步发电机LFC和AVR的示意图 Excitation system励磁系统； Automatic voltage regulator (AVR)自动电压调整； Voltage sensor电压测量；Gen. field发电机磁场；T

19、urbine汽轮机；Steam 蒸汽；Valve control mechanism阀门控制；Load frequency control (LFC) 负荷频率 控制；Frequency sensor频率测量 二、发动机调速系统二、发动机调速系统 发电机的调速系统由原动机、发电机、负荷和调速器组成。分 析和设计控制系统的第一步是建立系统的数学模型，而建立模型的 最普遍的两种方法是传递函数法和状态变量法。状态变量法可以应 用到线性和非线性系统，而为了用传递函数法和线性状态方程，首 先必须将系统线性化，即用合理的假设和近似将数学方程线性化， 获得以下元件的传递函数。 2.12.1 发电机模型发电机

20、模型 根据同步发电机的摆动方程式，对小扰动有 电力系统自动化期末作业 9 （2-1） em s PP dt dH 2 2 2 或根据速度偏差 （2-2） em s PP Hdt d 2 1 速度是标幺值，不写标幺值标识，有 （2-3） em PP Hdt d 2 1 对式（2-3）做拉格朗日变换，有 （2-4） sPsP HS s gm 2 1 式（2-4）的关系可以用框图表示，如图 2-1 所示。 图 2-1 发电机框图 2.22.2 负荷模型负荷模型 电力系统的负荷由各种用电设备组成。对电阻性负荷，比如电 灯和加热设备，消耗的电能与频率无关。电机负荷对频率的变化比 较敏感，其敏感程度取决于

21、驱动设备速度负荷特性的综合。综 合负载的速度负荷特性近似表示为 （2-5） Le PP 式中非频率敏感设备的功率变化； L P 电力系统自动化期末作业 10 频率敏感设备的功率变化； 负荷变化的百分数与频率变化的百分数之比，若频率变化 1%，负荷用电量变化 1.6%，则 =1.6。 在发电机模型中加入负荷模型，画出如图 3 的框图。去掉反馈环， 则得到图 4 框图。 图 2-2 发电机和负荷框图 图 2-3 发电机和负荷框图 2.32.3 原动机模型原动机模型 机械功率的源就是原动机，它可以是水论及、汽轮机或燃气论 及。输出功率的变化取决于蒸汽的开度。不同类型的涡轮机 m P V P 特性差别

22、很大。对无再热蒸汽轮机，原动机模型可以近似用一个时 间常数来表示，传递函数有 T （2-6） ssP sP sG TV m T 1 1 简单无再热汽轮机的框图如图 2-4 所示。 电力系统自动化期末作业 11 图 2-4 简单无再热汽轮机框图 时间常数的范围是 0.22.0。 T 2.42.4 调速器模型调速器模型 调速器好比一个比较器，它的输出是设定功率和功率 g P ref P 的差。由调速器特性给出有 R 1 R 1 （2-7） R PP refg 1 或频域 （2-8） s R sPsP refg 1 指令经过液压放大传递给阀门开度位置指令，假定一个 g P V P 线性关系并认为时间

23、常数为，则有以下的频域关系式 g （2-9） sP s sP g g V 1 1 三、三、 发电机励磁系统发电机励磁系统 3.13.1 励磁调节器的工作原理励磁调节器的工作原理 发电机端电压经电压互感器降压后输入到测量单元，电压讯号 在测量单元中经测量比较后，将电压偏差量输入到中放单元放大， 并作为移相单元的控制电压以相应改变触发单元的触发脉冲相位角， 电力系统自动化期末作业 12 从而改变了自动可控硅的控制角和交流励磁机励磁电压值，相应地 改变了主发电机的励磁，当发电机负载增大而使发电机电压下降时 调节器使自动可控硅整流器的控制角检小，以增大发电机的励磁， 当发电机减少负荷时，其操作以上述相

24、反，减少励磁来维持发电机 端电压为给定值。 3.23.2 励磁方式励磁方式 根据直流电机励磁方式的不同，可分为他励磁，并励磁，串励 磁，复励磁等方式，直流电机的转动过程中，励磁就是控制定子的 电压使其产生的磁场变化，改变直流电机的转速。 1、直流发电机供电的励磁方式：这种励磁方式的发电机具有专 用的直流发电机，这种专用的直流发电机称为直流励磁机，励磁机 一般与发电机同轴，发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固 定电刷从励磁机获得直流电流。这种励磁方式具有励磁电流独立， 工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点，是过去几十年间发电机 主要励磁方式，具有较成熟的运行经验。缺点是励磁调节速度较慢， 维

25、护工作量大，故在10MW 以上的机组中很少采用。 2、交流励磁机供电的励磁方式，现代大容量发电机有的采用交 流励磁机提供励磁电流。交流励磁机也装在发电机大轴上，它输出 的交流电流经整流后供给发电机转子励磁，此时，发电机的励磁方 式属他励磁方式，又由于采用静止的整流装置，故又称为他励静止 励磁，交流副励磁机提供励磁电流。交流副励磁机可以是永磁机或 电力系统自动化期末作业 13 是具有自励恒压装置的交流发电机。为了提高励磁调节速度，交流 励磁机通常采用100200HZ 的中频发电机，而交流副励磁机则采 用400500HZ 的中频发电机。这种发电机的直流励磁绕组和三相 交流绕组都绕在定子槽内，转子只

26、有齿与槽而没有绕组，像个齿轮， 因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，具有工作可靠，结构简 单，制造工艺方便等优点。缺点是噪音较大，交流电势的谐波分量 也较大。 3.33.3 励磁机的作用励磁机的作用 励磁机的作用包括以下几个方面： a)发电机并网前，调节发电机输出的端电压； b)发电机并网后，调节发电机承担的无功功率； c)提高同步发电机并列运行的静、动态稳定；（ 静态稳定： 采用 灵敏快速的励磁调节系统，可以提高发电机在小干扰下的稳定性； 动态稳定：采用响应快速、顶值电压较高的励磁调节系统，可以 提高发电机在的大扰动下的稳定性） ； d)发电机事故时，对转子绕组迅速灭磁，以保护发电机的安全

27、。 四、励磁系统的自动发电控制（四、励磁系统的自动发电控制（AGCAGC） 由于 LFC 和 AVR 系统之间联系软弱，可以将频率和电压幅值分 开控制，这里将线性化的 AGC 系统扩展，使之包括励磁系统。由式 电力系统自动化期末作业 14 可知功率的微小变化是同步功率系统 PS和功角的微小变化的乘积。 如果考虑电压对有功功率的微小影响，就有以下的线性化方程为 （4-1） 2E KPP Se 式（4-1）中的是定子电动势的变化对功率变化的影响。同样，考 2 K 虑转子功角对发电机机端电压的影响，有 （4-2） 65 EKKUt 式中 K5当定子电动势为常数时，机端电压的变化相对转子功角 的变化；

28、 K6当转子电动势为常数时，机端电压的变化相对转子功角的变 化； 最好为了推出包括转子功角的发电机磁场传递函数，将定子电动势 表示为 （4-3） 4 1 KU s K E f G G 式（2-12）的常数是由网络参数和运行状态决定的。对于稳态系统， PS是正值，同样 K2、K4、K6为正值，但 K5可能为负值。 【例例】一个孤立的发电站的组合仿真框图如图 8 所示，其参 数见表 4-1。 表 4-1 孤立发电站参数 设备增益时间常数设备增益时间常数 汽轮机 KT=1 T=0.4 发电机 KG=1 G=1.5 调速器 Kg=1 g=0.2 传感器 KH=1 R=0.04 电力系统自动化期末作业

29、15 放大器 KA=10 A=0.1 励磁机 KE=1 E=0.5 惯性常数 调差系数 H=6 R=0.04 当频率变化 1%时负荷变化 0.8%，即。假定同步功率因数8 . 0 PS=1.5，电压系数为 K6=0.5，并且耦合常数 K2=0.2、K4=1.4、K5=- 0.1。建立混合 SIMULINK 仿真框图，并求当负荷标幺值变化 时的频率偏差和机端电压响应。25 . 0 1 L P 解: 在 SIMULINK 中的仿真框图如图 3-3 所示。运行后，第二 个 LFC 环的积分增益为 6.0，励磁系统 PID 控制器的增益为 KP=1、KI=0.25、KD=0.3。速度偏差阶跃响应和机端

30、电压阶跃响应如 图、图所示。可以发现，当耦合系统都设为零时，暂态响应几乎没 有什么变化，因此频率控制和电压控制可以分别考虑。 将耦合系数都设为零，分别求频率偏差的传递函数 1(s)和机端电 压传递函数 2(s)。 1.频率偏差传递函数的求取 1 61125(256) H. 0.21 0.41(5)(25) s ssss ss (s)=(25+). 2 1.5 ( )Hs s 2 12 25(256)1.561355675 ( )( )( ) (5)(25)2 (5)(25) sss H sH sHs s ssss ss 频率偏差闭环传递函数为： 电力系统自动化期末作业 16 5252 6751

31、3556 8 . 012 1 1 8 . 012 1 1 s 2 1 sss ss s s sHsG sG 32 432 43050 48363.26301395675 sss ssss 用下面的命令求解频率偏差阶跃响应： PL=0.55; numc1=4 30 50 0; denc1=48 363.2 630 1395 675; t=0:0.02:15; c=-PL*step(numc1,denc1,t); plot(t,c),grid xlabel(t(s),ylabel(Dw) title(例 39 的频率偏差阶跃响应) 阶跃响应的频率偏差如图 4-1 所示 电力系统自动化期末作业 17

32、 图 4-1 频率偏差阶跃响应 2.机端电压传递函数的求取 PID 控制器传递函数 2 0.256205 ( )(1)10.3 20 I PIDpD Kss GsKK ss sss 前项通道传递函数 22 6205410.58(6205) ( ). 200.11 0.51 1.51(10)(2)(32) ssss G s sssss sss 机端电压闭环传递函数为： 2 32 25432 8(6205) ( )48136040401000(10)(2)(32) 2 s 8(6205)11( )( )31131034334050001000 1. (10)(2)(32) 0.041 ss G s

33、ssss sss ssG s H ssssss s ssss 用下面的命令求解频率偏差阶跃响应： numc2=48 1360 4040 1000; denc2=3 113 1034 3340 5000 1000; t=0:0.02:15; c=step(numc2,denc2,t); plot(t,c),grid xlabel(t(s),ylabel(Vt) title(例 39 的机端电压阶跃响应) 阶跃响应的极端电压如图 4-2 所示 电力系统自动化期末作业 18 图 4-2 机端电压阶跃响应 3.建立仿真模型按照【例 3-9】改变 SINULINK 模型的参数，并在 SIMULINK 中

34、运行，即可得到频率偏差和机端电压阶跃响应，仿真图 如图 4-3 所示。 电力系统自动化期末作业 19 图 4-3 【例 3-9】的仿真框图 设定参数后运行 SIMULINK 仿真框图,频率偏差阶跃响应与机端电压 阶跃响应曲线分别如下图 4-4 、图 4-5 所示 电力系统自动化期末作业 20 图 4-4 频率阶跃响应 图 4-5 机端电压阶跃响应 五、仿真结果分析五、仿真结果分析 （1）由图 4-4 频率阶跃响应曲线和图 4-5 机端电压阶跃响应曲线 可以发现，当耦合系数都设为零时，暂态响应几乎没什么变化，因 此频率控制和电压控制可以分别考虑。 频率控制： 当负荷突然增加时，在调速系统改变蒸汽

35、机的进气量之前，汽轮机 的转速就已经下降了。飞轮检测到的误差信号很小，汽轮机可以在 这样的稳态中保持转速为常数，这个转速是低于额定转速的，存在 一个频率偏差。自动发电控制（AGC）将频率的偏差积分用积分单元 监视一段时间的频率偏差，根据这个积分值将频率恢复到额定值。 单台发电机积差调节工作方程式： 电力系统自动化期末作业 21 (5-1) Nref fffPKfdt0 式中 K调频功率比例系数。 设定 t=0 时、，式（2-13）是得到满足的； N ff 0fdt0 ref P 在 t1瞬间，由于负荷增大，系统频率开始下降，出现了，于0f 是式（5-1）左端第一项不断增加其负值，使该式的原有平

36、衡 fdt 状态遭到破坏。于是调节器向着满足式（5-1）的方向进行调整，即 增加机组的输出功率设定值，只要，不论多么小， ref P0ff 都会不断的累积出新值，式（5-1）就不会满足，调节过程不 fdt 会终止，直到系统频率恢复到额定值，即，这时、0f N ff ，式（5-1）才能得到满足，调节过程才会结束。常数 Afdt 电压控制： 电压对有功功率有微小影响，可用式（4-1）表示；转子功角对发电 机机端电压的影响则可用式（4-2）表示，这些常数由网络参数和运 行状态决定，对于稳态系统，PS是正值，同样 K2、K4、K6为正值， 但 K5可能为负值。 变频调速的基本控制方式与基准电压、基准频

37、率的关系 电机用 变频器调速时有两种情况-基频（基准频率）以下调速和基频以上 调速。必须考虑的重要因素是：尽量保持电机主磁通为额定值不变。 如果磁通过弱（电压过低），电机铁心不能得到充分利用，电磁转 矩变小，负载能力下降。如果磁通过强（电压过高），电机处于过 励磁状态，电机因励磁电流过大而严重发热。根据电机原理可知， 三相异步电机定子每相电动势的有效值： 电力系统自动化期末作业 22 E1=4.44f1N1m 式中 E1-定子每相由气隙磁通感应的电动势的有效值 f1-定子频率 N1定子每相绕组有效匝数 m-每极磁通量 由式中可以看出，m的值由E1/f1决定，但由于E1难以直接控 制，所以在电动势较高时，可忽略定子漏阻抗压降，而用定子相电 压U1代替。那么要保证m不变，只要U1/f1始终为一定值即可。这 是基频以下调时速的基本情况，为恒压频比（恒磁通）控制方式， 属于恒转矩调速。从图3-4可以看出，基准频率为恒转矩调速区的最 高频率，基准频率所对应的电压为即为基准电压，是恒转矩调